研究報告

特集 : PC 構造物の非破壊検査技術

レーザーリモートセンシングを用いた
コンクリートはく離検知装置の開発
御崎哲一＊1・篠田

昌弘＊2・島田義則＊3・オレグ

コチャエフ＊4

コンクリート表面の一般的な検査法として打音法が用いられている。打音法は簡易であるものの，技術者間で検査結果が異なることや，多大な検査時間を要するなどの課題がある。そこで，本研究では，レーザーによる加振と遠隔探傷が可能なコンクリート表面の非破壊検査法を開発した。合せて，取得したデータを判別する，コンクリートはく離判定アルゴリズムを提案した。開発した装置を用いて室内試験を実施して，基本性能を確認したのち，新幹線トンネルの覆工に適用した結果，保守用車や発電機の振動や騒音などが計測精度に影響を及ぼすが，対策をとることで，計測ができることを確認した。開発した装置と判定アルゴリズムにより，コンクリート表面の非破壊検査法の有効性を確認した。
キーワード：レーザー，リモートセンシング，コンクリート欠陥，打音検査，スペクトル
鉄道土木構造物の維持管理における検査では，定期的に1．は じ め に実施する定期検査（以下，全般検査と呼ぶ）と地震や風水

現在の社会の礎を築いているコンクリート構造物におい害後に必要に応じて実施する不定期な検査（以下，随時検て，コンクリートの劣化によるはく落が危惧されている。

査と呼ぶ）に大別できる 2 ）。定期的に実施する全般検査でとくに 1999 年，山陽新幹線福岡トンネル（図 - 1）など

は，基本的には目視によって構造物の健全度を評価する。

において発生したコンクリート塊はく落事故 1 ） は，コン鉄道土木構造物の全般検査や随時検査において，変状の種クリート構造物の検査の重要性を再認識させた。

類，程度および進行性などに関する調査結果に基づき，総合的に健全度の判定を行い，不健全と評価された場合には，緊急に使用制限などの措置を講じたり，さらに必要にはく落部応じ詳細な検査（個別検査と呼ぶ）を実施する。
コンクリート表面の浮きや欠陥を検査する手法としては，弾性波探傷法，赤外線検出法，打音法などがあり，その長所と短所を表 - 1 にまとめた。いずれも一長一短があり，高い精度で迅速に検査を実施できる手法ではない。
現在の主たる検査手法である打音法は，検査対象となるコンクリート表面までの距離が手の届かない位置にある場合，高所作業車を使用し接近しなければならない。とくに，トンネルは，検査対象となるコンクリート表面が地上より高い箇所にあり，かつ，検査箇所数が膨大になるた

図- 1

め，検査技術者の負担は著しく大きく，多大な検査時間を福岡トンネルコンクリート塊はく落事故部要する。

＊1

Norikazu MISAKI

西日本旅客鉄道 ㈱技術開発部 課長代理

Vol.56, No.6, Nov. 2014

＊2

＊3

Masahiro SHINODA

Yoshinori SHIMADA（公財）レーザー技術総合研究所 レーザー計測チーム
主任研究員（公財）鉄道総合技術研究
所 基礎・土構造
主任研究員

61

＊4

Oleg KOTYAEV（公財）レーザー技術総合研究所 レーザー計測チーム
研究員

特集 / 研究報告表- 1

コンクリート部材の主要な非破壊検査法と提案手法の比較

レーザーリモートセンシング法

弾性波探傷法

赤外線検出法

打音法

適用イメージ

変状レーザー

浮き箇所長

非接触・遠隔探傷

小型装置

欠陥形状の把握高速探傷

高い計測精度

非接触探傷

所

高い計測精度

簡易

短所

遠隔探傷

その場で叩き落し可能

検査時間がかかる検査精度が低い

人工と検査時間がかかる（検曲面への密着が困難

コンクリート表面を熱する

査員 10 人で 1 時間 50 m）

曲面の計測が可能
外乱による検出効率低下

大型装置必要があり機材が大がかり

赤外線検出法は打音法を適用する前のスクリーニング手

2．レーザーリモートセンシング法の原理法として注目されており，非接触・遠隔探傷が長所としてあげられる。トンネル内に赤外線検出法を適用する場合にレーザーリモートセンシング法について説明する 3 ）。打は，熱を強制的に与える必要があるが，トンネル覆工全体

音法とレーザーリモートセンシング法は，コンクリート表を検査する場合には，機材が大がかりになることや，高精面を加振し，表面振動を把握するという点で，欠陥検知の度の計測が難しいといった欠点がある。

考え方は同一（図 - 2）である。そのためレーザーリモー

超音波探傷法は，小型装置であるがトンネル覆工曲面へトセンシング法は，打音法に代替できる可能性がある。本の密着に課題があり，検査者による高所作業となるうえ，手法の構成を図 - 3 に示す。コンクリート表面を加振す検査時間を要するといった欠点がある。

るための加振用レーザーには，高出力のパルスレーザーをまた鉄道トンネル覆工検査の制約として，鉄道運行時間用いる。高出力パルスレーザーをコンクリート表面に集光帯に検査ができないこと，線路走行可能な高所作業車を現することにより，コンクリート表面成分（セメントなど）地まで運行し手配しなければならないこと，鉄道運行用電をプラズマ化する。そのプラズマ粒子が弾き飛ばされる力の停電措置を講じるといった時間が無視できないことが（アブレーションという）反動により，コンクリート表面挙げられる。こうした実情に鑑み，筆者らは打音法のスクの振動が励起される。計測用レーザーには，連続発振のレリーニング手法として，数 m 以上離れた箇所から検査でーザーを用いる。そのレーザーは，ビームスプリッターにきる，レーザーリモートセンシング法によるコンクリートより，信号光と参照光に分けられる。信号光はコンクリー剥離検知法（以下，本手法という）を開発したトの表面で反射されコンクリート表面形状の情報を持って。

3，4 ）本手法を用いて，騒音や振動といった，レーザー計測にダイナミックホログラム結晶に入射する。一方で，参照光おけるノイズ要因（以下，外乱という）が少ない環境条件も同じダイナミックホログラム結晶に入射し，信号光と参下で検証試験を実施した結果，打音法で得られた検査結果照光がその中で干渉し合うことで，コンクリート表面形状とレーザーシステムで得られた検査結果が一致し，妥当性の情報が含まれた干渉縞がダイナミックホログラム結晶中を確認した。この結果を基に，実際の新幹線トンネル内でレーザーリモートセンシング法

打音法

実験を行った結果，保守用車や発電機の振動，騒音などの外乱により，計測困難な状態となった。そこで，保守用車や発電機の振動を低減させるため，新たに除振台を開発，ハンマーで振動を励起

加振レーザーで振動を励起

耳で聴き音として振動を把握検出レーザーの干渉により振動を把握

防音室を設置し，レーザーシステムに具備したところ，レーザー照射口を開けた状態であっても計測可能な状態まで外乱を抑えることを可能とし，計測精度を向上させることができた。本論文では，本手法を開発するにあたっての課題とその解決策について述べる。
図- 2

62

コンクリートコンクリート

打音法とレーザーリモートセンシング法の比較

プレストレストコンクリート

特集 / 研究報告
コンクリート
加振用レーザー
振動

計測用レーザーダイナミックホログラム結晶

検出器

参照光

図- 3

信号光
欠陥

ビーム
スプリッター

レーザーリモートセンシング法の構成に形成される。
この干渉縞により，ダイナミックホログラム結晶内部に屈折率の粗密領域が生成され，参照光を回折させる。参照光は，信号光と同じ光軸を進み検出器に向かう。コンクリート表面が振動すると検出器に入射する信号光と参照光との位相差が変化する。この変化は検出器では光の強弱となってあらわれるため，これを検出することによりコンクリート表面の振動を検出する。

3．現場試験機器の開発，振動・騒音対策
3.1

新幹線橋梁における検証試験

レーザーリモートセンシングシステムを搭載した試作 1号機を開発した。試作 1 号機は可搬性を重視し，図 - 4
写真 - 1に示すように軽トラックに搭載した。試作 1 号機を用い検証試験で実施した新幹線橋梁て，新幹線橋梁に対してコンクリート表面欠陥探傷試験を実施した。なお，当該橋梁の環境条件としては，騒音や振査箇所であるコンクリート表面を打撃し，その際のコンク動などの外乱が少なく，微振動計測に適している場所であリート表面の振動から欠陥状況を検査する試験で，過去のる。写真 - 1 に検証試験で実施した新幹線橋梁を示す。

検討 5，6） から，コンクリート表面を打撃した際に発する

この橋梁は，支間 7.0 m の RC 桁を高さ 7.5 m の杭基礎形「音」スペクトルと，コンクリート表面振動のスペクトル式橋台で支持している。事前に打音法で欠陥箇所のスクリは高い相関関係がある知見を得ており，この試験を打音法ーニングを行って対象欠陥箇所を選定し，コンクリート表の代わりとして用いた。

面加振試験によりコンクリート表面の振動スペクトルを計

図 - 5 にコンクリート表面加振試験とレーザーリモー測したのち，試作 1 号機による結果と比較した。ここで，トセンシング法による不健全箇所のフーリエ振幅スペクト

コンクリート表面加振試験とは，打音ハンマーを用いて調ルを示す。比較した結果，両者のフーリエ振幅スペクトルの形状はほぼ一致していることが分かる。

正規化した振幅値

1.00.80.6
0.40.20.0
100

1000
振動数（Hz）

計測用レーザー

打音法

計測装置

図- 5
図- 4

レーザーリモートセンシング法による試作 1 号機

Vol.56, No.6, Nov. 2014

63

レーザーリモートセンシング法

不健全箇所のフーリエ振幅スペクトル10000

特集 / 研究報告
新幹線トンネルにおける検証試験

レーザー検出電圧のノイズスペクトル3.2

試作 1 号機を用いて，夜間に実際の新幹線トンネル内で検証試験を実施した（図 - 6）。検証試験では，図 - 4 に示した試作 1 号機を軌道用運搬台車（以下，トロという）上に固定し，軌道上のトロを牽引するディーゼル機関車（以下，保守用車という）に接続して実施した。現在の保守用車の運用ではエンジンを停止できないため，エンジンを駆動させた状態で，レーザーシステムにおける計測を試みた。その結果，レーザーリモートセンシング法による計測が困難であった。この原因として，保守用車の振動など

1.0 10‑1
1.0 10‑2
1.0 10‑3

1/10 〜 1/100 に抑制

1.0 10‑4
1.0 10‑5
1.0 10‑6
1.0 10‑70

によりノイズが混入すると推定された。そこで，計測に影500

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
周波数（Hz）

響するような振動・騒音などを抑制するため除振台・防音トロ上面の加速度室を構築した計測器を試作した。

図- 8
計測用レーザー

除振台上面の加速度

除振台の性能評価

騒音によりレーザー計測データに付加されるノイズを低減するために，防音室を構築（図 - 9）し，防音壁の有無

軽トラックに搭載したレーザーリモート
センシングシステムによるレーザー検出電圧のノイズスペクトルを確認した（図 - 10）。防音壁の無い状態と，レーザー照射用のスリットを開口した状態を比較した結果，レーザー検出電圧でほぼ 1/10 〜 1/100 程度に抑制できることを確認した。これらの対策の結果，信号が検出可能なシグナル／ノイズ比を得ることができた。
レーザー照射スリット開口部

図- 63.3

試作 1 号機による新幹線トンネルでの検証試験

除振台・防音室の性能確認試験

0.5

保守用車の振動影響を，除振台で低減させる効果を確認するために，箱型トロ上に除振台・光学定盤，レーザー光学系を搭載した試作 2 号機（図 - 7）を開発し，振動低減の確認試験を実施した。図 - 8 に示した除振台の効果より，データを取得した周波数領域（100 〜 4 000 Hz）にお図- 9

いて，振動加速度を 1/10 〜 1/100 程度に抑制できること

箱型トロ上の，防音室を搭載した試作 2 号機

レーザー検出電圧のノイズスペクトルを確認した。
レーザー光学系
光学定盤

1.0① 防音壁なし

1.0 10‑1② スリット開口

1.0 10‑2
1.0 10‑3③ 密閉

1.0 10‑4
1.0 10‑505001000

1500200025003000

3500

4000

周波数（Hz）

除振台

図 - 10
図- 7

1/10〜1/100に抑制

防音室の性能評価

箱型トロ上の，除振台を搭載した試作 2 号機

64

プレストレストコンクリート

特集 / 研究報告
はコンクリート表面の加速度波形から算出されたフーリエ4．健全度判定アルゴリズム

振幅スペクトルのうち，ある閾値より高い周波数成分におレーザーリモートセンシング法を実用化するためには，けるフーリエ振幅スペクトルの面積，R S はフーリエ振幅コンクリートの健全度の判定が可能な欠陥判定アルゴリズスペクトルの面積比であり，スペクトルスコアと呼ぶ。実ムの構築が必要である。

際の適用にあたっては，図 - 11 に示す閾値の設定が重要となる。そこで閾値の感度解析を実施し，打音法の結果と打音法における検査者の定性的判断を，定量化するため行った過去の研究

4，7 ）整合する閾値を検討した結果，適切な閾値は 2 000Hz であで，コンクリート表面の健全性は，ることが分かった 4，7 ）。

コンクリート表面加振試験で評価できることが分かっている。ここでは，コンクリート表面加振試験で得られた振動5．提案した健全度判定アルゴリズムによる評
価スペクトルとレーザーリモートセンシング法で得られたそれを比較し，レーザーリモートセンシング法が打音法に代替えできる実験結果を示す。

現在，鉄道トンネルにおいては，コンクリートの表面の図 - 11 に欠陥判定アルゴリズムの概念を示す。健全箇

剥落に対する安全性についての健全度はα，β，γで区分所のコンクリート部材は，衝撃荷重を与えた際の残留振動して判定を行っている 8 ）。その打音検査と健全度判定の代のフーリエ振幅スペクトル上で相対的に高い周波数成分が替を目指し，レーザーリモートセンシング法を用いたコン卓越するが，欠陥箇所のコンクリート部材では，フーリエクリート欠陥検出の可能性を確認するため，新幹線トンネ振幅スペクトル上で相対的に低い周波数成分が卓越する。

ル内（写真 - 2）において，保守用車を用いて試作 2 号機を搬入し，試験実施した。合せて，同一箇所で打音による加速度計計測（写真 - 3）を実施した。図 - 12 に，検査健全者の判定と，レーザーリモートセンシング法およびコンクリート表面加振試験による欠陥判定アルゴリズムの試行箇

振幅閾値所を示す。ここは，欠陥箇所に補修材を塗布した箇所であA2る。また，トンネル覆工面に書かれている判定ランクα8 ）は，検査者によるものであるが，「補修材の音」による判
A1

振動数⒜

健全箇所のフーリエ振幅スペクトルのイメージ

不健全
振幅

閾値

A1A2

写真 - 2

レーザーによる試験状況

振動数⒝

欠陥箇所のフーリエ振幅スペクトルのイメージ

図 - 11

欠陥判定アルゴリズムの概念

そこで，衝撃荷重を与えた際のコンクリート部材の揺れやすさを評価するために，フーリエ振幅スペクトル上で，ある閾値を境にした面積比を用いた式 ⑴ に示すような欠陥判定アルゴリズムを提案した。
RS ＝ A1 /（A1 ＋ A2）⑴

ここで，A1 はコンクリート表面の加速度波形から算出されたフーリエ振幅スペクトルのうち，ある閾値より低い
写真 - 3周波数成分におけるフーリエ振幅スペクトルの面積，A2Vol.56, No.6, Nov. 201465

打音による加速度計計測試験状況

特集 / 研究報告
くのデータから判定基準を分析することを考えており，レーザーリモートセンシング法と打音法の違いを考慮しながらもそのおのおのの判定を可能にしたいと考えている。

計測点 3α

計測点 4β6．まとめ

本研究では打音法に代わる検査法として，レーザーリモートセンシング法によるコンクリート部材の欠陥検出シス
テムを開発した。以下に成果を述べる。

計測点 2 健全① 現場の振動・騒音環境において使用に耐えるため，除振台・防音室を備えたレーザーリモートセンシング法

計測点 1 健全を用いたコンクリート部材の欠陥検出システムを開発した。
② 保守用車の動作状態においても，レーザー計測可能な

図 - 12

計測箇所における検査者の判定環境を実現できた。
今後の検討課題として，以下の 2 点をあげる。
① 打音法とレーザーリモートセンシング法の違いを考慮

定ランクと思われ，叩き落していない箇所である。
図 - 13 には，上記で提案したスペクトルスコアで評価した，システムや判定アルゴリズムの構築が必要である。

したレーザー計測と打音による加速度計計測の相関を示② 新幹線トンネルのトンネル覆工検査においては，保守す。

用車運用によると保守基地から現場までの回送ロスが大きい。回送ロスの低減を念頭に置き，トンネル中央

0.6

通路を走行できる小型化した測定システム（装置）とレーザースペクトルスコア

αして構築する必要がある。
本研究は，関係者の方々に多大なご協力をいただいた。

計測点 30.4

ここに感謝の意を表する。
参考文献

健全 ,β1 ）足立紀尚：トンネル安全問題検討会−保生技術の確立−，日本

0.2

鉄道施設協会誌，特集『コンクリート』，pp.14-15，2000.10

計測点 42 ）国土交通省鉄道局監修，鉄道総合技術研究所編：鉄道構造物等維持管理標準・同解説（構造物編），トンネル，丸善，2007
3 ）島田義則：レーザー超音波リモートセンシング技術の産業応用，

計測点 1,2検査技術，Vol.11，No.9，pp.8-14，2006

000.20.44 ）篠田昌弘，大村寛和，御崎哲一，島田義則，内田成明：レーザ

0.6

ー加振によるコンクリート部材の非破壊検査法の開発，鉄道総研報告，Vol.23，No.12，pp.29-34，2009

打音法スペクトルスコア

図 - 135 ）榎本秀明：トンネルの全般検査段階における健全度判断システ

レーザーと打音のスペクトルスコアの相関ムの開発 −総研式打音検査装置の精度向上と判定基準の提案−，鉄道総研報告，2004

評価したのは図 - 12 における測定データの 4 点と少な

6 ）篠田昌弘，大村寛和，阿部慶太，田中祐二，坂本寛章，神田政いが，この結果から，スペクトルスコアが大きいほど不健

幸：レーザーによるコンクリート欠陥検知・健全度判定アルゴ
リズムの開発，鉄道総研報告，2011

全であるという傾向が見られ，レーザーリモートセンシン7 ）大村寛和，島田義則：レーザー超音波リモートセンシング装置

グ法とコンクリート表面加振試験には相関があると推察さを用いたコンクリート内部欠陥探傷 −⑵ ハンマー打撃によっれる。て発生する実構造物の表面振動・打音解析結果と欠陥検出アル

レーザーリモートセンシング法によりコンクリートはくゴリズム−，土木学会学術年次講演会，2008
8 ）国土交通省鉄道局監修，鉄道総合技術研究所編：鉄道構造物等

落危険性を判断するには，取得したデータから，α，β，γ，維持管理標準・同解説（構造物編），トンネル，丸善，pp.12-健全といった判定が必要 8 ） である。現在まで，本手法で18，2007

取得したデータは少ないため，今後試験を積み重ね，数多【2014 年 9 月 3 日受付】

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プレストレストコンクリート